El Astrónomo Errante

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Nuevas evidencias de diferencias entre la materia y la antimateria

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Los neutrinos, partículas elementales generadas por las reacciones nucleares en el Sol, sufren una crisis de identidad al cruzar el Universo, pasando entre tres "sabores" diferentes. A sus homólogos de antimateria (que son idénticos en masa, pero opuestos en carga y spin) les ocurre lo mismo.

Según el modelo estándar de física de partículas, se denomina sabor al atributo que distingue a cada uno de los seis quarks: u (up, arriba), d (down, abajo), s (strange, extraño), c (charm, encantado), b (bottom, fondo) y t (top, cima).

En la terminología moderna se dice que los quarks se presentan en seis sabores, cada uno de los cuales puede tener uno de tres colores. De este modo, los quarks serían, en total, 18.

Existen tres tipos de neutrinos asociados a cada una de las familias leptónicas (sabores): neutrino electrónico ( ne ), neutrino muónico ( nm ) y neutrino tauónico ( nt ) más sus respectivas antipartículas.

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Los neutrinos pueden pasar de una familia a otra (cambiar de sabor) en un proceso conocido como oscilación de neutrinos. La oscilación entre las distintas familias se produce aleatoriamente, y la probabilidad de cambio parece ser más alta en un medio material que en el vacío. Dada la aleatoriedad del proceso, las proporciones entre cada uno de los sabores tienden a repartirse por igual (1/3 del total para cada tipo de neutrino) a medida que se producen sucesivas oscilaciones. Fue este hecho el que permitió considerar por primera vez la oscilación de los neutrinos.

Pero ahora un equipo de físicos del MIT han encontrado sorprendentes diferencias entre el comportamiento de conmutación de sabor de los neutrinos respecto a los antineutrinos. Si se confirma, el descubrimiento podría ayudar a explicar por qué la materia, y no la antimateria, domina nuestro Universo.

"La gente está muy emocionada por ello, porque sugiere que hay diferencias entre los neutrinos y antineutrinos", dice Georgia Karagiorgi, una estudiante de graduado del MIT y una de los líderes de los análisis de datos experimentales producidos por el experimento Booster Neutrino (MiniBooNE) en el Fermi National Accelerator Laboratory.

El nuevo resultado, anunciado en junio y enviado a la revista Physical Review Letters, parece corresponder a una de las primeras violaciones de la simetría CP: la teoría que dice que la materia y la antimateria deberían de comportarse de la misma manera. La violación de la simetría CP se vio anteriormente en los quarks, otro tipo de partícula elemental que se presenta en protones y neutrones, pero nunca en neutrinos o en electrones.

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El descubrimiento también podría obligar a los físicos a revisar su modelo estándar, que cataloga todas las partículas conocidas que forman la materia. El modelo postula ahora que sólo existen tres sabores de neutrinos, pero un cuarto (o quinto o sexto) pueden ser necesarios para explicar los nuevos resultados.

"Si esto se demuestra, tendría implicaciones importantes para la física de partículas", dice John Learned, profesor de física en la Universidad de Hawai, que no forma parte del equipo de MiniBooNE.

Por el momento, los investigadores tienen datos suficientes para presentar sus resultados para presentarlo con un nivel de seguridad justo por debajo del 99.7% (llamado 3 sigma), que no es suficiente como para asegurar un descubrimiento. Para llegar a ese nivel, se necesita 5 sigma (99.99994%). “La comunidad demandará, con todo el derecho, unos resultados 5 sigma”.

Inesperadas oscilaciones.

Desde la década de 1960, los físicos han estado reuniendo pruebas de que los neutrinos pueden cambiar, u oscilar entre tres diferentes sabores - muón, tau y electrones, cada uno de ellos con una masa diferente. Sin embargo, aún no han sido capaces de descartar la posibilidad de que puedan existir más tipos de neutrinos.

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En un esfuerzo por ayudar a concretar el número de neutrinos, los físicos del MiniBooNE enviarán haces de neutrinos o antineutrinos por un túnel de 500 metros, al final del cual se encuentra un tanque de 250.000 galones de aceite mineral. Cuando los neutrinos o antineutrinos choquen con un átomo de carbono en el aceite mineral, los rastros de la energía que quedan permiten a los físicos identificar el sabor de los neutrinos que participaron en la colisión. Los neutrinos, que no tienen carga, rara vez interactúan con otras materias, por lo que tales colisiones son raras.

MiniBooNE fue construido en 2002 para confirmar o refutar el descubrimiento controvertido que se obtuvo en un experimento en el Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) de Los Alamos. En 1990, el LSND informó de la aparición de un número mayor del esperado de antineutrinos que parecían oscilar a distancias relativamente cortas, lo que sugiere la existencia de un cuarto tipo de neutrino, llamado “neutrino estéril”.

En 2007, los investigadores de MiniBooNE anunciaron que sus experimentos con neutrinos no producen oscilaciones similares a las observadas en LSND. En ese momento, asumieron que lo mismo sería válido para antineutrinos. “En 2007, te habría dicho que podías descartar LSND”, dijo el profesor del MIT Janet Conrad, autor del nuevo documento.

MiniBooNE después cambió al modo de antineutrino y recolectó datos durante los siguientes tres años. El equipo de investigación no analizó ningún dato hasta principios de este año, cuando les sorprendió encontrar más oscilaciones de las esperadas para sólo tres sabores de neutrinos -el mismo resultado que el LSND.

Los físicos teóricos ya están publicando artículos en la red con teorías sobre los nuevos resultados. Sin embargo, “no hay una clara e inmediata explicación”, comentó Karsten Heeger, una física de neutrinos de la Univerisdad de Wisconsin. “Para estar seguros necesitamos más datos del MiniBooNE, y luego tenemos que hacer los test experimentales de forma diferente”.

El equipo planea recopilar datos de antineutrinos durante los próximos 18 meses. Conrad también espera lanzar un nuevo experimento que podría utilizar un ciclotrón, un tipo de acelerador de partículas en el que estas viajan en círculos en vez de en una línea recta, para intentar confirmar o refutar los resultados de MiniBooNE.

Más información en el enlace.


 
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